专利名称：一种交通仿真半实物电子沙盘系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及交通、控制、仿真、通信等技术，尤其涉及一种交通仿真半实 物电子沙盘系统。
背景技术：
随着计算机软硬件技术的发展和数字地球技术的日益成熟，电子沙盘技术 作为多媒体等高新技术的产物，以其快速、简便、精确、动态演示和便于参数 修正、演示效果丰富等特点，在军事指挥、教学科研、博物馆所、园林规划等 领域得到了极为广泛的应用。
半实物仿真是在可能的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以使其中相 应的模块实物化，这样更接近实际情况，可得到更确切的信息。半实物仿真同 其它类型的仿真方法相比具有实现更高真实度的可能性，是仿真技术中置信度 最高的一种仿真方法。半实物仿真已经渗透到武器装备、航空航天、工业自动 化涉及、石油化工、汽车制造和电力电子等领域。
交通作为一个复杂系统，无法用简单抽象的数学模型描述，仿真即成为了 研究交通问题的重要工具。随着交通仿真系统的不断发展，人们对仿真系统的 真实程度和展示环境提出了越来越高的要求。将电子沙盘技术和半实物仿真技 术应用于交通仿真，在国内外还是鲜见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种交通仿真半实物电子沙盘 系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种交通仿真半实物电子沙 盘系统，它包括交通检测器、交通控制柜、模拟信号灯、上位机和大屏幕投影 电子沙盘。其中，所述交通检测器和交通控制柜有线连接，所述交通控制柜和 模拟信号灯分别与上位机无线连接，所述大屏幕投影电子沙盘和上位机有线连接。
进一步地，所述交通控制柜包括一发送模块，所述上位机包括一接收模块 和一发送模块，所述模拟信号灯包括一接收模块。所述交通检测器通过交通控 制柜利用无线通讯将采集到的交通信息传送上位机，上位机经过数据处理后将 交通数据用于实时仿真，在大屏幕投影电子沙盘上动态显示交通仿真场景，结 合模拟信号灯实物实现交通场景的半实物展示。
进一步地，所述交通检测器为视频检测器、线圈检测器、微波传感器或地
磁传感器；所述大屏幕投影电子沙盘由水平放置的四个DLP显示屏组成，配
以水平和竖直的两用支架。
本发明的有益效果是本发明综合应用了无线实时传输、电子沙盘、半实 物仿真等技术，实现了交通场景实时仿真和半实物展示，亦可用于验证信号配 时方案的有效性，直观准确，可靠性高。
图l是本发明的系统结构框图2是本发明的仿真软件操作流程图3是本发明的信号配时自适应协同进化遗传算法流程图4是本发明的Zigbee无线通讯发送模块母板原理图； 图5是本发明的Zigbee无线通讯接收模块母板原理图； 图6是本发明的电子沙盘效果图。
具体实施例方式
本发明的交通仿真半实物电子沙盘系统，主要包括交通检测器、模拟信号 灯、上位机和大屏幕投影电子沙盘。其中，所述的交通检测器通过交通控制柜 利用无线通讯将采集到的交通信息传送上位机，上位机经过数据处理后将交通 数据用于实时仿真，在大屏幕投影电子沙盘上动态显示交通仿真场景，结合模 拟信号灯实物实现交通场景的半实物展示。
本发明所述的上位机可利用任何合适的算法进行信号配时优化，本发明示 例采用的是浙江大学智能交通研究中心开发的自适应协同进化遗传算法，优化 后的配时方案通过无线通讯技术传送给模拟信号灯，模拟信号灯的配时方案可 在当前真实配时方案和优化方案之间进行手动切换，上位机可对两种配时方案 下的交通状况进行评价和比较，从而验证优化后配时方案的有效性。本发明所述的大屏幕投影电子沙盘是由水平放置的一个或若干个DLP显 示屏组成，配以水平和竖直的两用支架，构成投影显示部分，具有演示直观、 视角良好、接缝小、具有一定的承重力和移动方便等优点。
本发明所述的上位机通过大屏幕投影电子沙盘显示交通仿真动态，模拟信 号灯显示当前或优化交通控制信息，以半实物半虚拟的形式展示交通状况。
为使本发明之目的、技术方案、优点更加明确、清楚，以下结合附图对本 发明之技术方案做进一步详细的说明。
图1所示为本发明交通仿真半实物电子沙盘系统的结构框图。该系统主要 包括交通检测器、模拟信号灯、上位机、大屏幕投影电子沙盘。交通检测器通 过控制柜以及发送模块将实时交通信息无线传送给上位机，上位机通过接收模 块接收到实时交通信息，上位机通过发送模块，将信号配时信息无线传送给模 拟信号灯。电子沙盘直接与上位机相连。图1中的实线表示设备的有线连接， 虚线表示设备的无线连接。
本发明的交通检测器可为各类交通传感器，包括视频检测器、线圈检测器、
微波传感器以及地磁传感器，本发明示例使用的是远程交通微波传感器(RTMS) X3/K3和Autoscope Solo Pro两种类型，采集到的交通信息通过任何合适的无 线方式传送到上位机。在本发明示例中，考虑到对交通数据传输的实时性、安 全性以及传输距离和投资成本的要求，采用数字式无线数据传输电台。无线通 信模块可选用美国MDS公司生产的EL7052型无线数字电台，其最大发射功率 为2W，有效收发射距离为2-5km，电台设有RS-232接口，可和控制中心或交 通检测设备的RS-232接口相连。控制中心向交通检测设备发送数据时，控制 中心电台接受控制中心从串口传来的数字信号，电台的发信机将信号调制成 228MHz的调频信号从全向天线发射出去，交通检测设备电台收到调频信号，解 调成数字信号后从串口传给交通检测设备。交通检测设备向控制中心发送数据 时，交通检测设备电台接受交通检测设备从串口传来的数字信号，电台的发信 机将信号调制成228MHz的调频信号从八目定向天线发射出去，控制中心电台 的收信机接收到调频信号，解调成数字信号后从串口传给主机。电台以点对点 同频单工轮巡方式工作，控制中心的无线电台为主机，交通检测设备的无线电 台为从机，通信速率为9600比特每秒，收发转换时间约为10ms。
系统中上位机基于交通流的宏观仿真、车辆行为的微观仿真以及信号灯配 时理论，适用于城市道路规划设计、模拟城市交通车流通行状况和信号灯相位 设置等领域的交通系统设计和分析。上位机具有如下功能模块新建仿真文件 模块、打开己有仿真文件模块、仿真结果比较分析模块、绘制路段模块、添加道路连接点模块、添加车辆源模块、绘制信号灯模块、添加探测器模块、绘制 多边形模块、绘制横道线模块、设置仿真参数模块、设置信号配时属性参数模 块、车辆微观状态观测器模块、设置统计指标参数模块、仿真控制模块、3D 显示模块、仿真结果数据保存模块、车辆及驾驶员参数模块、仿真结果统计数 据显示模块、信号灯配时方案设计模块、信号配时模块、数字处理模块和数据 统计等二十三大功能模块，由这些模块可组合成各种操作流程。
上位机在本发明中的操作流程图如图2所示，上位机导入来自交通检测器
的交通数据后，对数据进行滤波、插值等预处理，进而通过数据统计确定仿真 需要的参数(如车流密度、平均速度、交叉口转向比例等)。信号灯相位可设 定为当前真实信号配时方案，也可采用信号灯配时优化模块的优化结果，采用 手动切换的方式进行方案的切换。路网参数(如限速、饱和流量等)根据实际 情况做相应的设置。上位机继而进行微观层面的仿真，仿真过程中可对特定位 置设置微观状态观测器，检测交通状态(速度、加速度、车头时距等)，可根 据检测数据对仿真结果(平均速度、平均密度、平均车头时距等)进行统计和
比较分析。仿真还可在2D模式和3D模式之间手动切换。
上位机还可利用自适应协同进化遗传算法进行信号配时优化，算法流程如 图3所示，首先初始化产生种群，由于各车流只有放行与禁止两种状态，因此采 用二进制编码；种群分割时，每个相位为一个种群；然后每个种群独立进化， 仅在适应度评估时进行信息的交换，采用比例选择算子进行选择操作，采用自 适应单点交叉算子进行交叉操作，采用自适应位变异算子进行变异操作；引进 检测算子进行检测操作，判断每个个体是否为合法个体，检测步骤为①检测 每个周期是否所有的交通流均放行了一次，②检测每个相位是否含有不允许出 现的冲突；接着引入修正算子进行修正操作，修正步骤为①若非法相位存在 交通流一个周期里没有放行一次的情况，首先把该交通流放到某一相位中，若 不引起冲突，则对含有不允许出现的冲突的个体进行修正，否则，将该交通流 放在放行交通流最少的相位里，②对含有不允许出现的冲突的个体进行修正； 然后以Webster配时计算公式为基础，计算每一个相位序列(个体)的周期和绿 信比；接着对种群中每个个体进行适应度评估，自适应协同进化遗传算法中个 体适应度值越大，被选中并遗传到下一代群体中的概率越大，因此取适应度函 数f^000-车辆平均延误时间；以最大进化代数为停止准则，若未达到最大进 化代数，继续进行种群独立进化，否则结束。
上位机可通过任何合适的无线通讯技术将配时方案传送给模拟信号灯，本 发明示例采用Zigbee通讯协议。单片机可采用微芯(Microchip)公司生产的PIC18F4620单片机，它采用精简指令集(RISC)、哈佛总线(Harvard)结构、 二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积 小和功能强等特点。单片机将大量的资源集成在芯片内部，包括1/0、存储器、 通信接口等，使系统的电路大大化简，对高频通信可能产生的干扰噪声大大减 少。可采用Chipcon公司的CC2420芯片实现无线通讯，它是一款符合 IEEE802. 15. 4规范的2. 4GHz射频芯片。对于每一个CC2420芯片，都会配备一 个PIC单片机支持相关数据的发送和接收工作。 一个最简单的系统包括两块电 路控制板， 一块和上位机联系作为发送模块(如图4所示)，另一块和信号灯 连接作为接收模块(如图5所示)，发送模块板和接收模块均配有一块包含有 CC2420芯片的，由Chipcon公司生产。电路板采用蓄电池供电，9V的电压经 过HT7533芯片转为3.3V稳压，供单片机和无线芯片使用。工作状态下，可采 用德州仪器(TI)提供的MAX3221芯片驱动PIC单片机的SCI接口与标准的 RS232电平接口。将MAX3221的T1IN (引脚11)和R10UT (引脚9)分别与单 片机的TX (引脚25)和RX (引脚26)连接，MAX3221的T10UT (引脚13)和 R1IN(引脚8)和串行通讯端口连接，接受上位机信息，使上位机的配时方案 传送到发送模块的PIC单片机。单片机用RB0 RB3以及RC0 RC5共10个端 口，通过CC2420芯片的串行外设接口 (SPI接口)引脚，控制它进入发送数据 状态并将数据读入缓存器。CC2420芯片的IEEE802. 15.4数字高频调制使用 2.4GHz直接序列扩频(DSSS)技术，将二进制的数据信号经过比特-符号转换、 符号-码片转换、Q-QPSK转化，调制到载波信号上发送。接收模块的电源配置 和CC2420芯片控制和发射板相同，在另一个PIC单片机的控制下，接收相关 信息，转化为二进制信号;所不同的是需要将单片机的RA0 RA5以及RD0 RD7 共14个端口预留出来，用于控制信号灯的变换。
大屏幕投影电子沙盘由投影显示部分、多屏控制部分组成。投影显示部分 可由一个或若干个投影单元组成，本发明示例由4个50"投影单元组成，采用 2X2方式组合显示屏。每个投影单元包括DLP投影系统和背投影屏幕。多屏控 制部分可采用多屏控制器或任何其他控制方法，本发明示例采用两块丽台 WinfastA340PCI显卡完成，该显卡具有工业级多显示器输出功能，显卡采用 PCI接口，通过两个内置的350 MHz RAMDACs提供高达2 X 2048 X 1536 @ 75 Hz分辨率，通过UDA体系进行统一驱动，具有较强的兼容性和可扩展性。电子 沙盘能够动态显示仿真场景，并结合模拟信号灯实现半实物交通仿真。具有直 观、视角良好、接缝小、具有一定的承重力和移动方便等优点。
由于大屏幕拼接墙是作为电子沙盘使用，因此DLP是水平放置，这一应用在国内尚属首例，因此并没有相应的支架，图6为DLP专门设计的一个水
平和竖直两用支架的效果图。
虽然以上已经根据各特定实施范例描述了本发明，但是，本发明不准备被 约束或限制在这里公开的实施范例中。本发明要覆盖后附的权利要求书的精神 和范围内的各种结构和修改。
权利要求
1. 一种交通仿真半实物电子沙盘系统，其特征在于，它包括交通检测器、交通控制柜、模拟信号灯、上位机和大屏幕投影电子沙盘。其中，所述交通检测器和交通控制柜有线连接，所述交通控制柜和模拟信号灯分别与上位机无线连接，所述大屏幕投影电子沙盘和上位机有线连接。
2. 根据权利要求1所述的交通仿真半实物电子沙盘系统，其特征在于，所 述交通控制柜包括一发送模块，所述上位机包括一接收模块和一发送模块，所 述模拟信号灯包括一接收模块。所述交通检测器通过交通控制柜利用无线通讯 将采集到的交通信息传送上位机，上位机经过数据处理后将交通数据用于实时 仿真，在大屏幕投影电子沙盘上动态显示交通仿真场景，结合模拟信号灯实物 实现交通场景的半实物展示。
3. 根据权利要求1所述的交通仿真半实物电子沙盘系统，其特征在于，所 述交通检测器为视频检测器、线圈检测器、微波传感器或地磁传感器。
4. 根据权利要求l所述的一种交通仿真半实物电子沙盘系统，其特征在 于，所述大屏幕投影电子沙盘由水平放置的四个DLP显示屏组成，配以水平和 竖直的两用支架。
全文摘要
本发明公开了一种交通仿真半实物电子沙盘系统，它包括交通检测器、交通控制柜、模拟信号灯、上位机和大屏幕投影电子沙盘。交通检测器通过无线传感技术将采集到的交通信息传送给上位机，上位机根据接收到的交通信息对交通状态进行仿真，使仿真结果再现当前交通状态，并在大屏幕投影电子沙盘上动态显示交通仿真场景，结合模拟信号灯实物实现交通场景的半实物展示。本发明以实时通讯、半实物仿真、电子沙盘展示为特点，能准确、直观地仿真城市交通状况及验证信号配时的有效性。
文档编号G09B23/00GK101414417SQ200810162519
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者泓 刘, 吴铁军, 孙伟力, 平 李, 珍 杨, 欣 武, 慧 王, 罗莉华, 育 闻 申请人:浙江大学